研究者らは、食品やその他の製品の包装に使われるプラスチックコーティングに代わり、その使用と製造による汚染を減らす可能性のある新しいバイオマテリアルを開発しました。
完全に堆肥化できるこの素材は、多糖類ポリ電解質複合体で、木材または綿由来の処理済みセルロースパルプと、節足動物や甲殻類の外骨格の主成分であるキチンから作られるキトサンを、ほぼ等量ずつ含んでいます。
キチンの主な供給源は、人々が食べるロブスター、カニ、エビの殻の大量の残りかすです。
研究を主導したペンシルベニア州立大学の農業・生物工学教授ジェフリー・キャッチマークによると、こうした環境に配慮したバリアコーティングは、耐水紙から天井タイルや壁板のコーティング、鮮度を保つ食品用コーティングまで、幅広く応用できます。
「この素材は、予想外に強力で不溶性の接着特性を持ち、包装のほか、建築用や床材用など、性能を高めた完全に天然由来の木質繊維複合材料といった用途にも有用です」と彼は述べます。「また、この技術を食品に取り入れれば、揚げ物の際の脂肪吸収を抑え、歯ごたえを保てる可能性があります。コーティングは基本的に繊維を主成分とするため、食事に繊維を加える手段にもなります。」
彼の説明によると、鍵となるのはカルボキシメチルセルロースとキトサンの、驚くほど強固で耐久性のある結合です。食品産業やその他の産業分野ですでに使われている、非常に安価なこの2種類の多糖類は、分子の電荷が異なり、複合体を形成して結びつきます。この複合体が、水やその他の物質を通さないフィルム、コーティング、接着剤などの基盤となります。
キャッチマークによると、こうしたバリアコーティングが、米国で毎年食品包装に使われる石油由来プラスチック数百万トンに取って代われば、汚染を大幅に減らせる可能性があります。世界全体では、その量はさらに多くなります。
彼は、世界のプラスチック生産量が年間3億トンに近づいていると指摘します。近年のある年には、米国で2,900万トンを超えるプラスチックが都市固形廃棄物となり、そのほぼ半分がプラスチック包装でした。世界で生産されるプラスチックの10％が海洋ごみになると予測されており、生態系と人の健康に重大な脅威をもたらします。
多糖類ポリ電解質複合体のコーティングは研究で良好な性能を示し、その成果は最近、Green Chemistry誌に発表されました。カルボキシメチルセルロースとキトサンのナノ構造化された繊維粒子からなるこのバイオマテリアルを塗布した板紙は、優れた耐油性と耐水性を示しました。また、コーティングはトルエン、ヘプタン、塩溶液にも耐性を示し、湿潤時と乾燥時の機械的特性、および水蒸気バリア性も向上しました。
「これらの結果は、多糖類ポリ電解質複合体を基盤とする素材が、多くの商業用途で合成ポリマーに対抗できるバリア材の代替品になり得ることを示しています」とキャッチマークは述べます。彼はペンシルベニア州立大学と共同で、このコーティングの特許を出願しています。
「さらに、この研究は、静電的な複合化に関与する複数の多糖類の系から、予想外の新たな特性が生まれ、高性能な新用途が可能になることを示しています。」
キャッチマークは、持続可能性への懸念から、プラスチックの代替となり得るバイオマテリアルの実験を10年ほど前に始めました。木材の主成分であるセルロースに関心を持ったのは、地球上で最も多く利用できる持続可能な再生可能素材だからです。彼はそのナノ構造、つまりナノスケールでどのように組み立てられているかを研究しました。
彼は、より頑丈な天然素材を開発し、その特性を高めることで、持続可能ではなく汚染を生む合成素材に対抗できると考えました。そうした素材には、板紙に貼られる低密度ポリエチレンラミネート、発泡スチロール、カップやボトルに使われる硬質プラスチックなどがあります。
「課題は、製造可能な方法で実現し、プラスチックよりも安価にすることです」とキャッチマークは説明します。「より環境に優しい、あるいは持続可能なものに切り替えるには、切り替えの費用を負担しなければなりません。企業が実際に導入するメリットを得るには、より安価である必要があります。そのため、持続可能な素材には問題が生じます。低コストによって乗り越えなければならない、導入への惰性があるのです。」
キャッチマークは現在、幅広い製品について、さまざまな産業分野で商業化に向けたパートナーの開拓に取り組んでいます。
「私たちは今、最後の一歩を踏み出し、世界に実質的な影響を与え、産業界の人々にプラスチックの使用をやめて、こうした天然素材を使ってもらおうとしています」と彼は述べます。「そうすれば、消費者には選択肢が生まれます。バイオマテリアルを使った後は、リサイクルしたり、土に埋めたり、堆肥化したりでき、分解されます。一方、海に流れ着き、何千年も残り続けるプラスチックを使い続けることもできます。」
この研究は米国農務省の支援を受けました。テネシー州チャタヌーガのSouthern Champion Trayは、実験用の板紙とその製造に関する情報を提供しました。
